Tối ưu hóa chế độ công nghệ gia công cắt dây tia lửa điện ứng dụng gia công lòng khuôn trên của bộ khuôn dập sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt dây cw 322s

- 1-

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
---------------------------------------

VƯƠNG THỊ HIỀN
TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ GIA CƠNG CẮT DÂY
TIA LỬA ĐIỆN - ỨNG DỤNG GIA CƠNG LỊNG KHN
TRÊN CỦA BỘ KHN DẬP SẢN PHẨM VỊNG ĐỆM HÃM 7
CÁNH TRÊN MÁY CẮT DÂY CW - 322S
CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

PGS. TS Nguyễn Phú Hoa

Vương Thị Hiền

KHOA ĐÀO TẠO SĐH

BGH TRƯỜNG ĐHKTCN

Thái Ngun, 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 2-

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa
từng được ai cơng bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác. Trừ các phần tham khảo
đã được nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả

VƯƠNG THỊ HIỀN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 3-

LỜI CẢM ƠN

Trong q trình học tập, làm luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự
giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cơ giáo đã giảng dạy, hướng dẫn, giúp tác giả
hồn thành tốt chương trình học cao học và hồn thiện được luận văn này.
Tác giả xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Phú Hoa,
Đại học Thái Ngun, đã định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình tơi trong việc
tiếp cận và khai thác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong q
trình tơi làm luận văn.
Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng cảm ơn các thầy cơ giáo, các bạn
đồng nghiệp và gia đình đã ủng hộ và động viên tơi trong suốt q trình làm

luận văn này.

Tác giả

VƯƠNG THỊ HIỀN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 4-

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 2
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 3
MỤC LỤC .............................................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................. 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CƠNG TIA LỬA ĐIỆN ............................. 14
1.1. Đặc điểm của phương pháp gia cơng tia lửa điện ........................................ 14
1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia cơng tia lửa điện ................. 14
1.1.2. Khả năng cơng nghệ của phương pháp gia cơng tia lửa điện. ............... 14
1.2. Các phương pháp gia cơng tia lửa điện ....................................................... 15
1.2.1. Phương pháp gia cơng xung định hình ................................................. 15
1.2.2. Phương pháp gia cơng cắt dây bằng tia lửa điện .................................. 15
1.2.3. Các phương pháp khác ........................................................................ 15

1.3. Cơ sở của phương pháp gia cơng tia lửa điện .............................................. 16
1.3.1. Bản chất vật lý..................................................................................... 16
1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu....................................................................... 21
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình gia cơng tia lửa điện ............................ 22
1.4.1. Các đặc tính về điện ............................................................................ 22
1.4.2. Các yếu tố khác ................................................................................... 23
1.5. Lượng hớt vật liệu khi gia cơng tia lửa điện ................................................ 24
1.6. Chất lượng bề mặt ...................................................................................... 28
1.6.1. Độ nhám bề mặt .................................................................................. 28
1.6.2. Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt ............................................... 28
1.7. Độ chính xác tạo hình khi gia cơng tia lửa điện .......................................... 30
1.8. Các hiện tượng xấu khi gia cơng tia lửa điện .............................................. 30
1.8.1. Hồ quang ............................................................................................. 30
1.8.2. Ngắn mạch, sụt áp ............................................................................... 31
1.8.3. Xung mạch hở, khơng có dòng điện .................................................... 32
1.8.4. Sự q nhiệt của chất điện mơi ............................................................ 32
1.9. Các yếu tố khơng điều khiển được .............................................................. 33
1.9.1. Nhiễu hệ thống .................................................................................... 33
1.9.2. Nhiễu ngẫu nhiên ................................................................................ 33

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 5-

1.10. Dung dịch chất điện mơi trong gia cơng tia lửa điện ................................. 33
1.10.1 Nhiệm vụ của dung dịch chất điện mơi ............................................... 33
1.10.2. Các loại chất điện mơi ....................................................................... 35
1.10.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện mơi ................................................ 35

1.10.4 Các loại dòng chảy của chất điện mơi ................................................. 36
1.10.5 Hệ thống lọc chất điện mơi ................................................................. 38
KẾT LUẬN CHƯƠNG I ....................................................................................... 40
CHƯƠNG II: MÁY CẮT DÂY CW – 322S VÀ CÁC THƠNG SỐ ĐIỀU CHỈNH
TRONG Q TRÌNH GIA CƠNG ....................................................................... 41
2.1 Cấu trúc của máy cắt dây CW – 322S .......................................................... 41
2.1.1 Cơng dụng của máy cắt dây CW – 322S ............................................... 42
2.1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp gia cơng cắt dây tia lửa điện ........... 43
2.2. Độ chính xác khi gia cơng tia lửa điện trên máy cắt dây CW – 322S .......... 43
2.3. Điện cực và vật liệu làm điện cực ............................................................... 46
2.3.1. u cầu của vật liệu làm điện cực ....................................................... 46
2.3.2. Các loại dây điện cực .......................................................................... 46
2.4. Sự thốt phoi trong q trình cắt dây .......................................................... 47
2.5. Nhám bề mặt khi cắt dây trên máy cắt dây CW – 322S............................... 48
2.6. Các thơng số điều chỉnh trong q trình gia cơng trên máy cắt dây CW –
322S .................................................................................................................. 49
2.6.1. Dòng phóng tia lửa điện Ie ................................................................... 49
2.6.2. Độ kéo dài xung ti................................................................................ 49
2.6.3. Khoảng cách xung t0 ............................................................................ 50
2.6.4. Điện áp đánh lửa Uz............................................................................. 50
2.6.5. Khe hở phóng điện .............................................................................. 50
2.6.6. Tốc độ dịch chuyển của dây điện cực .................................................. 51
2.7. Lập trình gia cơng trên máy cắt dây CW – 322S ......................................... 51
2.7.1. Các trục điều khiển và hệ tọa độ của máy cắt dây CW- 322S............... 51
2.7.2. Các chức năng “G” .............................................................................. 52
2.7.3. Các chức năng “M” ............................................................................. 57
2.7.4. Các phép copy dịch chuyển................................................................ 59
2.7.5. Các lệnh cắt cơn................................................................................. 60
KẾT LUẬN CHƯƠNG II ..................................................................................... 62
CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CẮT CỦA PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY .. 63

3.1. Tổng quan về tối ưu hóa và phương pháp bề mặt chỉ tiêu ........................... 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 6-

3.1.1. Tổng quan về tối ưu hóa ...................................................................... 63
3.1.2. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methodology – RSM)
[20] ............................................................................................................... 68
3.2. Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện ....................... 86
3.2.1. Mơ hình bài tốn tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa
điện ............................................................................................................... 86
3.2.2. Các giả thiết và điều kiện thí nghiệm ................................................... 86
3.2.3. Ứng dụng phương pháp RSM tối ưu hóa chế độ cắt khi gia cơng lòng
khn trên của bộ khn dập sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt
dây CW – 322S ............................................................................................. 88
KẾT LUẬN CHƯƠNG III .................................................................................. 109
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......................................................... 110
4.1. Chi tiết khn trên của bộ khn dập vòng đệm hãm 7 cánh .................... 110
4.2. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................... 112
4.3. Q trình gia cơng thực nghiệm ................................................................ 112
4.4. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 114
4.5. Đánh giá hiệu quả của vấn đề tối ưu ......................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 117
PHỤ LỤC............................................................................................................ 120
1. Thiết bị thí nghiệm ...................................................................................... 120
2. Q trình thực nghiệm. ................................................................................ 121
2.1. Chương trình gia cơng. ......................................................................... 121

2.2. Gia cơng thực nghiệm............................................................................... 122

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 7-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thơng số kỹ thuật của máy cắt dây CW – 322S ................................ 42
Bảng 2.2 Danh mục các mã G ............................................................................... 52
Bảng 2.3 Danh mục các mã M ............................................................................... 57
Bảng 2.4 Các phép copy, dịch chuyển ................................................................... 59
Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm .................................................................................... 79
Bảng 3.2 Các giá trị trung gian của ql .................................................................... 80
Bảng 3.3 Tính tốn các giá trị của Ql ..................................................................... 81
Bảng 3.4 Thành phần hóa học của thép gió P18 ..................................................... 84
Bảng 3.5 Chế độ nhiệt luyện của thép gió P18 ....................................................... 87
Bảng 3.6 Phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm .................................................. 88
Bảng 3.7 Ma trận quy hoạch thực nghiệm phương án CCD với 3 yếu tố ................ 92
Bảng 3.8 Kế hoạch thí nghiệm tối ưu hóa nhám bề mặt theo Ue, Ie, vd .................... 93
Bảng 3.9 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm năng suất cắt V ...................... 94




Bảng 3.10 Tính tốn các giá trị y và (y- y )2 ............................................................... 95
Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm ............................................................................. 102
Bảng 3.12 Các giá trị qV, qRa, Ql .......................................................................... 103

Bảng 4.1 Kết quả gia cơng thử nghiệm ................................................................ 115

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 8-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý gia cơng tia lửa điện..................................................... 16
Hình 1.2. Pha đánh lửa .......................................................................................... 17
Hình 1.3. Sự hình thành kênh phóng điện .............................................................. 18
Hình 1.4. Sự hình thành và bốc hơi vật liệu ........................................................... 18
Hình 1.5. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện. ....................... 19
Hình 1.6. Ảnh hưởng của dòng phóng tia lửa điện đến lượng hớt vật liệu .............. 25
Hình 1.7. Ảnh hưởng của thời gian xung đến lượng hớt vật liệu ............................ 25
Hình 1.8. Ảnh hưởng của thời gian ngắt xung đến lượng hớt vật liệu .................... 26
Hình 1.9. Ảnh hưởng của lực căng dây điện cực đến lượng hớt vật liệu ................. 26
Hình 1.10. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển dây điện cực đến lượng hớt vật liệu .. 26
Hình 1.11. Ảnh hưởng của chiều cao phơi đến lượng hớt vật liệu khi gia cơng đồng
thau ....................................................................................................................... 27
Hình 1.12. Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phơi ................................................ 29
Hình 1.13. Hiện tượng hồ quang điện .................................................................... 31
Hình 1.14. Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp .............................................................. 31
Hình 1.15. Hiện tượng xung mạch hở .................................................................... 32
Hình 1.16. Dòng chảy bên ngồi............................................................................ 37
Hình 1.17. Dòng chảy áp lực ................................................................................. 37
Hình 2.1. Máy cắt dây CW – 322S ........................................................................ 41
Hình 2.2. Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc. ............ 46

Hình 2.3. Các trường hợp khó gia cơng đối với dòng chảy đồng trục ..................... 47
Hình 2.4. Khe hở phóng điện trong gia cơng cắt dây tia lửa điện ........................... 48
Hình 2.5. Sự hình thành của nhám bề mặt.............................................................. 48
Hình 2.6. Sự phụ thuộc của nhám bề mặt vào tần số dòng điện .............................. 49
Hình 2.7. Các lệnh dịch chuyển đường kính dây G41/G42 .................................... 56
Hình 3.1. Mơ hình hóa q trình gia cơng cắt dây tia lửa điện ............................... 73
Hình 3.2 Thiết kế thí nghiệm ................................................................................. 74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 9-

Hình 3.3. Khai báo các thơng số ............................................................................ 73
Hình 3.4. Các bước phân tích kết quả thí nghiệm................................................... 78
Hình 3.5. Thiết lập tối ưu hóa đơn mục tiêu ........................................................... 78
Hình 3.6 Thiết lập các thơng số tối ưu hóa ............................................................. 82
Hình 3.7. Thiết lập tối ưu hóa đa mục tiêu ............................................................. 82
Hình 3.8. Thiết lập các thơng số tối ưu hóa đa mục tiêu ......................................... 83
Hình 3.9. a) Sơ đồ thí nghiệm; b) 4 thí nghiệm dọc trục và 1 thí nghiệm trung tâm;
c) Thí nghiệm CCD ............................................................................................... 84
Hình 3.10. a) Sơ đồ thí nghiệm Box – Behnken 3 biến; b) Sơ đồ thí nghiệm Trung
tâm – mặt 3 biến .................................................................................................... 84
Hình 3.11. Hộp thoại thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu ....................................... 85
Hình 3.12. Hộp thoại thiết kế CCD ........................................................................ 85
Hình 3.13. Hộp thoại thiết kế Box - Behnken ........................................................ 86
Hình 3.14. Lựa chọn khai báo biến cho dạng thiết kế Box - Behnken .................... 88
Hình 3.15. Kích thước của mẫu thí nghiệm............................................................ 90
Hình 3.16. Khai báo biến thí nghiệm cho thiết kế CCD ......................................... 93

Hình 3.17. Phân tích hồi quy-phương sai ............................................................... 99
Hình 3.18. Phân tích hồi quy-phương sai khi đã tinh chỉnh .................................. 100
Hình 3.19. Các hệ số hồi quy dạng thực (khơng mã hóa) ..................................... 100
Hình 3.20. Đồ thị quan hệ năng suất cắt phụ thuộc Ie và Ue khi vd =2 m/phút. .... 101
Hình 3.21. Đồ thị đường mức năng suất cắt phụ thuộc Ue và Ie khi vd = 2 m/phút.101
Hình 3.22. Các xác lập tối ưu hóa đơn mục tiêu V với hàm ràng buộc là Ra ........ 106
Hình 3.23. Kết quả tối ưu hóa năng suất cắt V ..................................................... 106
Hình 3.24. Một phần đồ thị tối ưu hóa năng suất cắt V ........................................ 107
Hình 3.25. Tối ưu hóa đồng thời chỉ tiêu nhám bề mặt và năng suất cắt ............... 107
Hình 4.1. Bản vẽ chi tiết lòng khn trên............................................................. 111

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 10-

PHẦN MỞ ĐẦU

I. Tính cấp thiết của đề tài
Gia cơng bằng cắt dây tia lửa điện (gọi tắt là gia cơng cắt dây) là một trong
những phương pháp gia cơng khơng truyền thống quan trọng [9]. Phương pháp này
được sử dụng để gia cơng các chi tiết có biên dạng phức tạp như khn mẫu, khn
đột, khn đùn, ép kim loại, các loại cối định hình vv… hoặc những vật liệu khó gia
cơng như vật liệu dùng trong ngành hàng khơng, vũ trụ, vật liệu dùng trong ngành y
tế ... [8]. Chính vì thế việc xác định chế độ cắt dây tối ưu khi gia cơng các loại vật
liệu khác nhau là vấn đề hết sức quan trọng và cần thiết.
Trong gia cơng cắt dây, chất lượng bề mặt và năng suất gia cơng là hai yếu tố
được quan tâm nhất [2, 3, 8-10]. Có rất nhiều các thơng số cơng nghệ ảnh hưởng
đến chất lượng bề mặt và năng suất gia cơng như điện áp phóng tia lửa điện, dòng

phóng tia lửa điện, tốc độ dịch chuyển của điện cực, độ rộng xung, tần số xung, lưu
lượng của dòng chảy chất điện mơi... [1, 4, 11]. Gia cơng cắt dây là một q trình
phức tạp, việc xác định các thơng số cơng nghệ tối ưu để cải thiện q trình gia
cơng là rất khó [1,3,4,7-9,11]. Có khá nhiều nghiên cứu tập trung vào việc xác định
các thơng số tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt và vận tốc cắt [1, 3, 9, 10]. Các
nghiên cứu này sử dụng phương pháp tối ưu hóa truyền thống như phương pháp bề
mặt chỉ tiêu [8], phương pháp phân tích phương sai [1], tối ưu hóa sử dụng thuật
tốn Grey, mạng noron nhân tạo [12]… hay các phương pháp khơng truyền thống
như tối ưu hóa sử dụng thuật tốn bầy đàn PSO, giải thuật di truyền GA [12]… Bên
cạnh đó, các nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định chế độ cắt tối ưu cho các
loại vật liệu khác nhau như chế độ tối ưu khi gia cơng Inconel 718 [6], hợp kim
magie WE43 [5], Inconel 601 [8]...
Thép gió là loại vật liệu có độ cứng cao (63 – 65 HRC), tính chống mài mòn và
độ cứng nóng cao. Thép gió được ứng dụng làm dao cắt, khn dập nguội…Do được
hợp kim hóa với hàm lượng cao nên việc gia cơng thép gió bằng các phương pháp gia
cơng truyền thống đòi hỏi chi phí lớn mà năng suất khơng cao. Khi gia cơng bằng cắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 11-

dây tia lửa điện, do tính dẫn điện và dẫn nhiệt của thép gió khác thép thơng thường
nên chất lượng gia cơng sẽ bị thay đổi nhiều. Vì vậy cần nghiên cứu và tìm ra các giá
trị cơng nghệ tối ưu nhằm đảm bảo năng suất và độ chính xác gia cơng khi gia cơng
thép gió trên máy cắt dây bằng tia lửa điện. Đề tài “Tối ưu hóa chế độ cơng nghệ gia
cơng cắt dây tia lửa điện - ứng dụng gia cơng lòng khn trên của bộ khn dập
sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt dây CW-322S” được lựa chọn để
nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cơng nghệ hợp lý và tối ưu hố chế độ

cơng nghệ khi gia cơng thép gió trên máy cắt dây, góp phần vào việc nâng cao hiệu
quả khai thác, sử dụng máy cắt dây EDM trong sản xuất cơ khí.
II.

Mục đích, đối tượng, cơng cụ và phương pháp nghiên cứu

2.1.

Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài này là xây dựng phương pháp tối ưu hóa chế độ gia cơng cắt
dây tia lửa điện. Ứng dụng cụ thể để gia cơng lòng khn trên của bộ khn dập sản
phẩm vòng đệm hãm 7 cánh.
2.2.

Đối tượng nghiên cứu

Trong gia cơng cắt dây, chất lượng bề mặt và năng suất gia cơng là hai yếu tố
được quan tâm nhất [2, 3, 8-10]. Q trình cắt dây tia lửa điện là một q trình phức
tạp [1, 3, 4, 7-9, 11]. Có rất nhiều các thơng số cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình
gia cơng như điện áp phóng tia lửa điện, dòng phóng tia lửa điện, tốc độ dịch
chuyển của điện cực, độ rộng xung, tần số xung, lưu lượng của dòng chảy chất điện
mơi... [1, 4, 11]. Trong đề tài này tác giả chọn 3 thơng số đầu vào là điện áp phóng
tia lửa điện (Ue), dòng phóng tia lửa điện (Ie) và tốc độ dịch chuyển của dây điện
cực (vd). Hai thơng số đầu ra là chất lượng bề mặt và năng suất gia cơng.
III.

Cơng cụ nghiên cứu

-

Thư viện: Để tìm kiếm các thơng tin đã có liên quan đến đề tài.

-

Máy vi tính và các phần mềm. Một số phần mềm mà tác giả dự định sử dụng
là AutoCAD, Catia, MasterCAM, Minitab, Microsoft office Excel…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>